technologia wiercenia głębokich otworów w listwach kierowniczych

technologia wiercenia głębokich otworów w listwach kierowniczych

TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU
4/2009
TECHNOLOGIA WIERCENIA GŁĘBOKICH OTWORÓW
W LISTWACH KIEROWNICZYCH
SAMOCHODÓW OSOBOWYCH
Maciej JASTRZĘBSKI, Kazimierz RYCHLIK, Mariusz SOSZKA
W Zakładzie Obrabiarek Instytutu Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego od wielu lat realizowana
jest grupa projektów badawczo-rozwojowych ukierunkowanych na praktyczne zastosowania w przemyśle. Ostatnie lata działalności Zakładu ukierunkowane zostały na
rozwój technologii głębokiego wiercenia otworów. W ramach współpracy z przemysłem i odpowiedzi na wyraźne
zapotrzebowanie na grupę obrabiarek zadaniowych przeznaczonych do głębokiego wiercenia otworów zostały
opracowane i wdrożone specjalne konstrukcje obrabiarek
zadaniowych.
Do zrealizowania przedstawionego zadania technologicznego zaprojektowano i wykonano specjalną trzywrzecionową obrabiarkę zadaniową, której konfigurację przedstawiono na rys. 2.
SYSTEMY GŁĘBOKIEGO WIERCENIA
W zależności od głębokości i średnicy wierconych
otworów stosuje się różne systemy głębokiego wiercenia.
Różnią się one między sobą zastosowanym narzędziem,
sposobem podawania i odprowadzania cieczy chłodząco-smarującej oraz wiórów ze strefy obróbki. Podstawowe
systemy głębokiego wiercenia otworów to:
 system Ejectorowy (dwururowy) dla wiercenia otworów o średnicy ≥ Ø 18 mm,
 system STS (jednorurowy) dla wiercenia otworów
o średnicy ≥ Ø 15,5 mm,
 system wiercenia lufowego dla wiercenia otworów
o średnicy z zakresu od Ø 0,5 mm do Ø 50 mm – tym
system wiercenia od kilku lat zajmuje się Zakład Obrabiarek IMBiGS.
ZADANIE TECHNOLOGICZNE
W prezentowanym projekcie przed konstruktorami postawiono zadanie technologiczne polegające na wywierceniu otworu osiowego w listwie kierowniczej samochodu
osobowego – pręt stalowy o przekroju kołowym (rys. 1)
z wydajnością 35 szt./godz. Wiercony otwór jest otworem
nieprzelotowym o dokładności w klasie H9, chropowatości
Ra ≤ 2,5 µm i niewspółosiowości R = 0,05/100 mm.
Rys. 2. Konfiguracja obrabiarki: 1 – modułowa jednostka obróbkowa, 2 – zespół chłodzenia i odwiórowania, 3 – zespół napędu
i sterowania hydraulicznego, 4 – zespół napędu i sterowania
elektrycznego, 5 – korpus główny
1.
Modułowa jednostka obróbkowa
Ze względu na bardzo duże wymagania dotyczące dokładności wykonywanego otworu – zwłaszcza prostoliniowości, której wartość wynosi R = 0,05/100 mm, w prezentowanej obrabiarce zastosowano specjalną modułową
jednostkę obróbkową. Jednostka ta została zbudowana
w oparciu o kinematykę z obracającym się przedmiotem
obrabianym i obracającym się narzędziem wiertłem lufowym [1] (rys. 3). Kinematyka ta pozwala na uzyskiwanie
odchylenia od prostoliniowości osi otworu poniżej 0,1 mm
na długości 1000 mm wywierconego otworu.
Rys. 1. Parametry techniczne wierconego otworu
15
4/2009
Rys. 3. Układ kinematyczny – obracający się przedmiot obrabiany i obracające się narzędzie
Zabudowana na obrabiarce modułowa jednostka obróbkowa [2] (rys. 4) składa się z następujących głównych
zespołów:
 jednostka obróbkowa wiertarska,
 hydrauliczny uchwyt mocujący,
 wiertnik-studzienka,
 podtrzymka.
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU
Jednostka obróbkowa wiertarska (rys. 5) zbudowana
została z elektromechanicznego specjalnego zespołu posuwowego zamontowanego bezpośrednio na powierzchniach przylgowych korpusu głównego. Na zespole posuwowym ustawione zostały trzy wrzecienniki wiertarskie
JUT SK40. Każdy wrzeciennik wyposażony został w silnik
asynchroniczny z obcym chłodzeniem oraz w złącze obrotowe, które umożliwia doprowadzenie cieczy chłodząco-smarującej poprzez wrzeciono i poprzez narzędzie do
strefy obróbki. Przeniesienie napędu z silnika na wrzeciono realizowane jest za pomocą przekładni pasowo-zębatej o przełożeniu i = 0,85. Prędkość obrotowa wrzeciona regulowana jest płynnie za pomocą falownika w zakresie od 1500 obr/min do 3500 obr/min, co pozwala na
wiercenie otworów w zakresie średnic od Ø 7 mm do
Ø 15 mm. Ruchy zespołu posuwowego realizowane są na
wózkach i prowadnicach tocznych. Do napędu suportu
jednostki obróbkowej wiertarskiej wykorzystano silnik servo AC bez hamulca firmy STOEBER. Zastosowany układ
napędu i sterowania pozwala na programowanie długości
drogi w zakresie od 0 do 600 mm oraz prędkości posuwu
roboczego w jednym cyklu.
Rys. 5. Jednostka obróbkowa właściwa: 1 – specjalny zespół posuwowy, 2 – wrzeciennik JUT SK40, 3 – silnik asynchroniczny
o mocy 4 kW, 4 – specjalna oprawka narzędziowa
Rys. 4. Modułowa jednostka obróbkowa: 1 – jednostka obróbkowa wiertarska, 2 – hydrauliczny uchwyt mocujący, 3 – wiertnik-studzienka, 4 – podtrzymka, 5 – przedmiot obrabiany, 6 – wiertło
lufowe
16
Pomiędzy uchwytem mocującym a jednostką obróbkową umieszczony został wiertnik-studzienka. Wiertnik
zbudowany został w postaci skrzynki z otwieraną pokrywą. Zespół ten oprócz funkcji prowadzenia narzędzia
umożliwia również odprowadzenie chłodziwa z wiórami ze
strefy obróbki. W korpusie wiertnika następuje rozładowanie wysokiego ciśnienia oleju chłodzącego z wiórami.
Wióry stąd spłukiwane są do rynny odpływowej przez dodatkowy strumień oleju wysokiego ciśnienia doprowadzony do pokrywy wiertnika.
Prezentowaną obrabiarkę wyposażono w specjalny
hydrauliczny uchwyt mocujący. Uchwyt ten umożliwia
prowadzenie obróbki z kinematyką z obracającym się
przedmiotem i obracającym się narzędziem. Umieszczony
on został na stole obróbkowym obrabiarki LWL-33NC.
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU
Specjalny hydrauliczny uchwyt mocujący zbudowany został z następujących podzespołów:
 hydraulicznej jednostki mocującej,
 regulowanych podpór pryzmowych,
 specjalnego łożyskowanego zespołu mocowanego
w wiertniku.
Na prezentowanej obrabiarce zamontowano trzy kompletne hydrauliczne uchwyty mocujące.
Zestaw narzędziowy prezentowanej obrabiarki składa
się z zakupionych elementów handlowych (katalogowych)
oraz elementów zaprojektowanych przez Zakład Obrabiarek i wykonanych w Zakładzie Budowy Prototypów.
W skład elementów handlowych wchodzą:
 wiertła lufowe  firmy SANDVIK COROMANT,
 tulejki prowadząco-uszczelniające „Whipguide” –
firmy SANDVIK COROMANT,
 oprawki narzędziowe – firmy FATPOL Tools.
W skład elementów wykonanych przez IMBiGS wchodzą:
 tulejki wiertarskie prowadzące wiertło – wykonanie
specjalne ze stali narzędziowej szybkotnącej.
2.
Zespół chłodzenia i odwiórowania
Zespół chłodzenia i odwiórowania [3] w procesie wiercenia głębokich otworów ma na celu:
 odprowadzenie wiórów ze strefy obróbki – poprzez
podawanie czynnika chłodzącego do strefy obróbki
pod wysokim ciśnieniem i z określonym wydatkiem,
 przedłużenie żywotności narzędzia – poprzez odpowiednie smarowanie narzędzia w strefie obróbki,
 rozproszenie ciepła – chłodzenie narzędzia.
Bardzo istotnym parametrem zespołu chłodzenia i odwiórowania przy wierceniu głębokich otworów jest filtracja
czynnika chłodzącego. Odpowiednia dokładność filtracji
ma wpływ na:
 gładkość otworu wierconego,
 chroni pompę wysokiego ciśnienia przed zużyciem.
Zespół chłodzenia i odwiórowania (rys. 6) wyposażony
jest w dwa zbiorniki: główny zwany „zbiornikiem brudnego
oleju” o pojemności ok. 1000 litrów oraz drugi zwany
„zbiornikiem czystego oleju” o pojemności ok. 450 litrów.
Na zbiorniku głównym umieszczone są kosze odbierające wióry, filtr magnetyczny FMA1-250 oraz pompa niskiego cienienia. Zadaniem pompy niskiego ciśnienia jest
przepompowywanie oleju ze zbiornika głównego poprzez
zespół filtrujący składający się z trzech filtrów (wstępnego
magnetycznego oraz dokładnych: 25 μm i 10 μm) i chłodnicę do zbiornika czystego oleju. Na zbiorniku czystego
oleju umieszczone zostały trzy wysokociśnieniowe zespoły pompowe, których zadaniem jest tłoczenie oleju poprzez wrzeciono i wiertło do strefy obróbki. Następnie olej
wraz z wiórami spływa specjalną rynną z wiertnika do kosza na wióry, a następnie przez bębnowy filtr magnetyczny do zbiornika głównego.
4/2009
Rys. 6. Układ chłodzenia i odwiórowania: 1 – zbiornik główny,
2 – zbiornik czystego oleju, 3 – zespół filtrów dokładnych, 4 –
pompa niskiego cieśnienia, 5 – pompy wysokiego ciśnienia, 6 –
kosze na wióry, 7 – filtr magnetyczny
3.
Zespół napędu i sterowania hydraulicznego
Zespół napędu i sterowania hydraulicznego obrabiarki
składa się z zasilacza hydraulicznego napędzającego
i sterującego pracą trzech oddzielnych jednostek mocujących umieszczonych w trzech gniazdach obróbkowych.
Zasilacz hydrauliczny zbudowany jest ze zbiornika
oleju o pojemności ok. 150 litrów, zespołu pompowego,
zaworów rozdzielających, zaworów zwrotno-dławiących
oraz akumulatora hydraulicznego i innych elementów hydraulicznych. Zapewnia on właściwe bazowanie i mocowanie listew kierowniczych (prętów). Układ umożliwia niezależną pracę każdego z trzech gniazd obróbkowych.
4.
Zespół napędu i sterowania elektrycznego
Zadaniem zespołu napędu i sterowania elektrycznego
jest sterowanie pracą uchwytów mocujących, jednostki
obróbkowej, zespołu chłodzenia i odwiórowania, jak również odpowiada on za prawidłową realizację cyklu pracy
obrabiarki.
Zespół ten zbudowany został na bazie następujących
głównych elementów:
 sterownik logiczny PLC S7-300  firmy SIEMENS,
 napęd numeryczny (serwo-przetwornica)  firmy
STOEBER,
 panel operatorski EXTER K70  firmy Beijer Electronics.
Komunikację pomiędzy poszczególnymi elementami
układu rozwiązano, wykorzystując sieć PROFIBUS.
Aparatura elektroniczna została umieszczona w wolno
stojącej szafie, która połączona jest z obrabiarką przewodami wyposażonymi w złącza przemysłowe. Pulpit operatorski umieszczony został na specjalnym wysięgniku
zamontowanym do korpusu głównego obrabiarki.
Zespół napędu i sterowania elektrycznego wyposażono
w układ pomiaru momentu obrotowego na każdym
17
4/2009
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU
z trzech wrzecion jednostki obróbkowej (układ przeciążeniowy). Układ ten sygnalizuje na panelu operatorskim konieczność wymiany narzędzia, przez co zapobiega jego
zniszczeniu oraz zniszczeniu przedmiotu obrabianego.
CYKL PRACY OBRABIARKI
Obrabiarka umożliwia pracę w cyklu półautomatycznym
w różnych konfiguracjach pracy, tzn. można pracować
z jednym, dwoma lub trzema załączonymi wrzecionami
zależnie od potrzeb.
Po włożeniu przedmiotu obrabianego (stalowego pręta)
w uchwyt mocujący pracownik ręcznie zamyka osłony
i przyciskami START na dwuręcznym pulpicie operatorskim uruchamia automatyczny cykl pracy, który obejmuje
następujące zadania:
 zamknięcie uchwytu mocującego (mocowanie przedmiotu obrabianego),
 załączenie chłodziwa,
 załączenie obrotów wrzecion głównych (jednostki obróbkowej) i wrzecion pomocniczych (uchwytów mocujących),
 wiercenie otworu – wiercenie otworu prowadzone jest
z dwoma prędkościami roboczymi, tzn. proces wiercenia rozpoczyna się od wolnego wejścia wiertła
w materiał na ok. 5 do 10 mm, później następuje
przyspieszenie do właściwej prędkości roboczej i na
ok. 10 mm przed końcem wierconego otworu ponownie prędkość jest zmniejszana do prędkości równej
prędkości wejścia wiertła w materiał. Na rys. 7 pokazano cykl wiercenia otworu.
 wycofanie jednostki obróbkowej na pozycję wyjściową,
 wyłączenie chłodziwa oraz obrotów wrzecion,
 odmocowanie przedmiotu obrabianego.
Rys. 7. Schemat ruchu roboczego podczas wiercenia: V1 – posuw roboczy wolny, V2 – posuw roboczy szybki, V3 – szybkie wycofanie
Na rys. 8 został przedstawiony widok zaprojektowanej,
wykonanej i wdrożonej obrabiarki LWL-33NC do głębokiego wiercenia otworów wiertłami lufowymi w listwach
kierowniczych samochodów osobowych.
18
Rys. 8. Obrabiarka zadaniowa do głębokiego wiercenia otworów
wiertłami lufowymi w listwach kierowniczych samochodów osobowych
PODSUMOWANIE
1. Do zrealizowania technologii głębokiego wiercenia
otworów wiertłami lufowymi w listwach kierowniczych samochodów osobowych wykonano trzywrzecionową obrabiarkę zadaniową typu LWL-33NC.
2. Opracowano, przetestowano i wdrożono specjalny
uchwyt mocujący z obrotem przedmiotu obrabianego –
specjalny hydrauliczny uchwyt mocujący jest samodzielnym podzespołem, który może być stosowany w innych
obrabiarkach zadaniowych.
3. Dzięki
zastosowaniu
kinematyki
obrabiarki
z obracającym się przedmiotem obrabianym i obracającym się narzędziem uzyskano założoną prostoliniowość
wierconego otworu.
4. Zastosowanie w zespole napędu i sterowania elektrycznego układu do monitorowania przeciążenia na
wrzecionach jednostki obróbkowej skutecznie zapobiega
całkowitemu zniszczeniu narzędzia i przedmiotu obrabianego.
LITERATURA
1.
Sandvik Coromant: „Wiercenie głębokich otworów –
katalog produktów i poradnik zastosowania”. 2003.
2. Rychlik K., Jastrzębski M.: Zgłoszenie prawa ochronnego nr W118423 pt.: „Jednostka modułowa do głębokiego wiercenia”.
3. Rychlik K., Jastrzębski M., Sobkowicz A.: Zgłoszenie
prawa ochronnego nr P388874 pt.: „Zespół chłodzenia i odwiórowania”.
4. Jastrzębski M.: Obrabiarka zadaniowa LWL-30NC do
głębokiego wiercenia otworów wiertłami lufowymi
w prętach ze stali kwasoodpornej. Biuletyn Naukowo-Techniczny OBK KOPROTECH, nr 23/2007.
5. Rychlik K.: Współrzędnościowa obrabiarka do głębokiego wiercenia otworów wiertłami lufowymi. Biuletyn
Naukowo-Techniczny OBK KOPROTECH, nr 2/2006.
6. Skorupka Z.: Budowa i wdrożenie dwuwrzecionowej
obrabiarki typ LSB-100NC do głębokiego wiercenia
wiertłami lufowymi. Biuletyn Naukowo-Techniczny
OBK KOPROTECH, nr 20/2004.
______________________
Inż. Kazimierz Rychlik, mgr inż. Maciej Jastrzębski
są pracownikami Instytutu Mechanizacji Budownictwa
i Górnictwa Skalnego w Warszawie. Mariusz Soszka jest
studentem Politechniki Warszawskiej.